專(zhuān)利名稱(chēng)：生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米組分增強(qiáng)超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，是一種納米增強(qiáng)組分在制備綠色環(huán)保、高性能水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用，屬于建筑材料或基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超高性能水泥基復(fù)合材料以其優(yōu)異的靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、阻裂效應(yīng)的特殊優(yōu)勢(shì)以及優(yōu)異的耐久性能而廣泛用于土木、建筑、水利、交通、隧道、市政、國(guó)防防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。目前，國(guó)外制備的超高性能水泥基復(fù)合材料多采用價(jià)格昂貴的超細(xì)粉體材料、價(jià)格高的微細(xì)金屬纖維，制備技術(shù)采用的是蒸壓或熱水養(yǎng)護(hù)工藝，能耗大且在現(xiàn)場(chǎng)澆注很難施行，從而使得該材料的性價(jià)比低，制約了該材料在工程中的推廣應(yīng)用。納米材料與常規(guī)材料的區(qū)別不僅在于尺度的不同，最重要的是在于物理化學(xué)能的變化，納米材料因具有粒徑小、比表面積大、表面能高以及表面原子所占比例大等特點(diǎn)，而水泥硬化漿體中的水化硅酸鈣凝膠具有納米結(jié)構(gòu)，水泥硬化漿體70 %為納米尺度的水化硅酸鈣凝膠顆粒，此外，還有納米尺寸的孤立孔、毛細(xì)孔，納米材料可以填充水泥漿體的孔隙，因此納米材料在水泥基材料中的應(yīng)用具有良好的基礎(chǔ)。納米SiO2是一種無(wú)定形物質(zhì)，具有巨大的比表面積和極強(qiáng)的火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，摻入水泥材料中后，可以與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，減少氫氧化鈣的含量，因此可以增加混凝土的強(qiáng)度，納米CaCO3具有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其顆粒微小發(fā)揮了較高的物理填充效應(yīng)。鑒于其微粒性和高活性，完全可以將納米材料摻入到混凝土中。因此，在目前提倡綠色環(huán)保、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的國(guó)際大環(huán)境下，如何充分發(fā)揮納米組分的增強(qiáng)效應(yīng)，研制并生產(chǎn)出性價(jià)比高、低能耗、綠色環(huán)保的超高性能水泥基復(fù)合材料，具有顯著的創(chuàng)新意義、現(xiàn)實(shí)意義和巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明充分發(fā)揮納米SiOjPCaCOdA火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，提出一種生態(tài)環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)異的超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，為納米材料在土木工程材料領(lǐng)域的利用開(kāi)拓方向。技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括以下組分且各組分的質(zhì)量百分比含量為:水泥:19.2% 26.9% ；工業(yè)廢渣:11.5% 19.2% ；納米SiO2:0.38% 1.92% ；納米 CaCO3: 0.38% 1.92% ； 外加劑:0.8% 1.2%;
河砂:38.4% 55.5% ；鍍銅鋼纖維: 3.0% 9.0% ；水:余量。相比較現(xiàn)有技術(shù)，本案使用工業(yè)廢渣取代30% 50%的水泥熟料，納米Si02、納米CaC03取代5% 10%的水泥熟料，外加劑為膠凝材料的2% 3%，鍍銅鋼纖維的體積率為1% 3% ;通過(guò)使用國(guó)產(chǎn)鍍銅鋼纖維和外加劑，用大摻量的工業(yè)廢渣及納米組分取代水泥熟料，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，能夠制備出抗壓強(qiáng)度150MPa 250MPa，抗折強(qiáng)度25MPa 60MPa的超高性能水泥基復(fù)合材料，大大降低了材料成本，減低了水泥熟料的用量，有益于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)外摻納米組分Si02和CaC03，充分發(fā)揮了納米Si02的活性及納米CaC03的填充效應(yīng)和增強(qiáng)效應(yīng)，從而大幅度提聞了水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。優(yōu)選的，所述水泥為硅酸鹽水泥，可以為普通硅酸鹽水泥或強(qiáng)度等級(jí)為52.5的硅酸鹽水泥。優(yōu)選的，所述工業(yè)廢渣為I級(jí)粉煤灰(超細(xì)粉煤灰)、礦粉(磨細(xì)礦粉)、硅灰中兩種或三種組成的膠凝材料體系。更為優(yōu)選的:要求I級(jí)粉煤灰的需水量比<95%，燒失量<5%，比表面積彡400m2/kg ;要求礦粉的比表面積彡400m2/kg ;要求硅灰中SiO2的含量彡90%，比表面積彡20000m2/kg。優(yōu)選的，所述納米SiO2的平均粒徑為15nm 25nm，表面多孔型，純度99%以上。優(yōu)選的，所述CaCO3的平均粒徑為20nm 40nm，純度98%以上。優(yōu)選的，所述外加劑為高效外加劑，具體可以為減水率大于40%的聚羧酸系外加齊U，更為優(yōu)選的，要求聚羧酸系外加劑的固含量> 35%。

所述河砂可以為普通河砂；優(yōu)選的，所述河沙的最大粒徑為5_，連續(xù)級(jí)配。優(yōu)選的，所述鍍銅鋼纖維為超細(xì)鍍銅鋼纖維，更為優(yōu)選的，所述鍍銅鋼纖維為直徑d^0.17mm、長(zhǎng)度I ( 13mm的平直型鍍銅鋼纖維或異型鍍銅鋼纖維。一種生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)按配方比例稱(chēng)取水泥、工業(yè)廢渣、納米CaCO3、河砂和鍍銅鋼纖維，攪拌至混合均勻形成干料；(2)按配方比例稱(chēng)取外加劑和水，倒入容器中混合均勻形成混合溶液；(3)按配方比例稱(chēng)取納米SiO2，將納米SiOJgj入混合溶液中，超聲攪拌至均勻形成納米SiO2分散相混合液；(4)將納米SiO2分散相混合液加入干料中并使用攪拌機(jī)攪拌，形成流動(dòng)性漿體；(5)將漿體澆入鋼模，進(jìn)行振動(dòng)成型并加以振搗；(6)拆模，將試件進(jìn)行標(biāo)注護(hù)養(yǎng)。上述方法制備的試件，可以用于建筑工程、鐵路、公路、橋梁、隧道、有特殊要求的薄壁結(jié)構(gòu)等土木工程材料領(lǐng)域。本案提供的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，利用我國(guó)資源豐富的工業(yè)廢渣(粉煤灰、礦渣、硅灰)大摻量取代水泥熟料，同時(shí)外摻納米組分(納米SiO2、納米CaCO3)，實(shí)現(xiàn)納米SiO2的均勻分散，充分發(fā)揮了納米組分的火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，另外使用減水率40%以上的高效外加劑及國(guó)產(chǎn)的超細(xì)鍍銅鋼纖維，通過(guò)礦物摻和料、納米組分、化學(xué)外加劑、鋼纖維及其多元復(fù)合技術(shù)的有效和高效利用，大大促進(jìn)了水泥基復(fù)合材料組成與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)更加致密，在簡(jiǎn)單成型工藝及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，成功制備出了抗壓強(qiáng)度在150MPa 250MPa，抗折強(qiáng)度25MPa 60MPa的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料。有益效果:本發(fā)明提供的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，與同類(lèi)技術(shù)相比具有性價(jià)比高、制備工藝簡(jiǎn)單、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由于納米組分與工業(yè)廢渣的復(fù)合疊加作用，可使得水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能在早期和后期都有提升，有效的改善了水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和耐久性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。一種生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，具有生態(tài)環(huán)保、強(qiáng)度高、韌性好、阻裂能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具體是由水泥、工業(yè)廢渣、高效外加劑、普通河砂、尾砂、超細(xì)鍍銅鋼纖維和水按一定比例混合均勻而成，根據(jù)應(yīng)用需要，通過(guò)調(diào)整配方，可以獲得所需要的性能。具體來(lái)說(shuō)，該復(fù)合材料包括以下組分且各組分的質(zhì)量百分比含量為:水泥:19.2% 26.9% ；工業(yè)廢渣:11.5% 19.2% ；

納米SiO2:0.38% 1.92% ；納米CaCO3: 0.38% 1.92% ；高效外加劑: 0.8% 1.2% ；普通河砂:38.4% 55.5% ；超細(xì)鍍銅鋼纖維: 3.0% 9.0% ；水:余量。所述水泥為普通硅酸鹽水泥或強(qiáng)度等級(jí)為52.5的硅酸鹽水泥。所述工業(yè)廢渣為I級(jí)粉煤灰(超細(xì)粉煤灰)、磨細(xì)礦粉、硅灰中兩種或三種組成的膠凝材料體系。具體要求:要求I級(jí)粉煤灰的需水量比< 95%，燒失量< 5%，比表面積彡400m2/kg ;要求礦粉的比表面積彡400m2/kg ;要求硅灰中SiO2的含量彡90%,比表面積彡 20000m2/kg。所述納米SiO2的平均粒徑為15nm 25nm，表面多孔型，純度99%以上。所述CaCO3的平均粒徑為20 nm 40nm，純度98%以上。所述高效外加劑為減水率大于40%的聚羧酸系外加劑，固含量> 35%。所述普通河砂的最大粒徑為5mm,連續(xù)級(jí)配。所述超細(xì)鍍銅鋼纖維為直徑d彡0.17mm、長(zhǎng)度I ( 13mm的平直型鍍銅鋼纖維或異型鍍銅鋼纖維。一種生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)按配方比例稱(chēng)取水泥、工業(yè)廢渣、納米CaCO3、河砂和鍍銅鋼纖維，攪拌(2 3min)至混合均勻形成干料；(2)按配方比例稱(chēng)取外加劑和水，倒入容器中混合均勻形成混合溶液；(3)按配方比例稱(chēng)取納米SiO2，將納米SiOJgj入混合溶液中，超聲攪拌至均勻形成納米SiO2分散相混合液；
(4)將納米SiO2分散相混合液緩慢加入干料中并使用攪拌機(jī)攪拌(3 5min)，形成流動(dòng)性漿體；(5)將漿體澆入鋼模，進(jìn)行振動(dòng)成型并加以振搗；(6)(一天后)拆模，將試件進(jìn)行標(biāo)注護(hù)養(yǎng)。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1
水泥26.9%
工業(yè)廢渣11.5%
納米 SiO20.38%
納米 CaCO31.92%
高效外加劑0.8%
普通河砂48.6%
超細(xì)鍍銅鋼纖維 3.0%
木余量其中，工業(yè)廢渣是由2G μ.」硅灰和80%的粉煤灰組成，拌合水量為水泥與工業(yè)廢渣總質(zhì)量的17%，采用標(biāo)準(zhǔn)·養(yǎng)護(hù)。上述組分按前述工藝制備得到的高性能水泥基復(fù)合材料，測(cè)得其力學(xué)性能如為:抗壓強(qiáng)度(90d) 148.6MPa，抗折強(qiáng)度(90d) 27.6MPa。實(shí)施例2
水泥23.0%
工業(yè)廢渣15.4%
納米 SiO21.1%
納米 CaCO31.6%
高效外加劑1.0%
普通河砂44.8%
超細(xì)鍍銅鋼纖維 6.0%
水:余m其中，工業(yè)廢渣是由33.3%的硅灰和66.7%的磨細(xì)礦粉組成，拌合水量為水泥與工業(yè)廢渣總質(zhì)量的18%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。上述組分按前述工藝制備得到的高性能水泥基復(fù)合材料，測(cè)得其力學(xué)性能為:抗壓強(qiáng)度(90d) 185.6，抗折強(qiáng)度(90d) 45.4MPa。實(shí)施例3水泥19.2%
工業(yè)廢渣11.5%
納米 SiO20.38%
納米 CaCO30.38%
高效外加劑1.2%
普通河砂55.5%
超細(xì)鍍銅鋼纖維6.0%
水:余量其中，工業(yè)廢渣是由50%的礦粉和50%的粉煤灰組成，拌合水量為水泥與工業(yè)廢渣總質(zhì)量的19%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。上述組分按前述工藝制備得到的高性能水泥基復(fù)合材料，測(cè)得其力學(xué)性能為:抗壓強(qiáng)度(90d) 172.4，抗折強(qiáng)度(90d) 39.6MPa。實(shí)施例4
水泥26.9%
工業(yè)廢渣14.0%
納米 SiO21.92%
納米 CaCO31.2%
高效外加劑1.2%
普通河砂38.4%
超細(xì)鍍銅鋼纖維9%
水:余量其中，工業(yè)廢渣是由30%的硅灰、40%的粉煤灰和30%的礦粉組成，拌合水量為水泥與工業(yè)廢渣總質(zhì)量的18%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。上述組分按前述工藝制備得到的高性能水泥基復(fù)合材料，測(cè)得其力學(xué)性能為:抗壓強(qiáng)度(90d) 237.6MPa，抗著強(qiáng)度58.8MPa。實(shí)施例5
水泥23%
工業(yè)廢渣15.4%
納米 SiO21.2%
納米 CaCO31.2%
高效外加劑1.2%
普通河砂41.7%
超細(xì)鍍銅鋼纖維 9%
水:余量其中，工業(yè)廢渣是由20%的硅灰、40%的粉煤灰和40%的礦粉組成，拌合水量為水泥與工業(yè)廢渣總質(zhì)量的18%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。上述組分按前述工藝制備得到的高性能水泥基復(fù)合材料，測(cè)得其力學(xué)性能為:抗壓強(qiáng)度(90d) 222.4MPa，抗著強(qiáng)度55.7MPa。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:該復(fù)合材料包括以下組分且各組分的質(zhì)量百分比含量為: 水泥:19.2% 26.9% ； 工業(yè)廢渣:11.5% 19.2%; 納米 SiO2:0.38% 1.92% ； 納米 CaCO3:0.38% 1.92% ； 外加劑:0.8% 1.2% ； 河砂:38.4% 55.5% ； 鍍銅鋼纖維:3.0% 9.0% ；水:余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述水泥為硅酸鹽水泥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述水泥為強(qiáng)度等級(jí)為52.5的硅酸鹽水泥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述工業(yè)廢渣為I級(jí)粉煤灰、礦粉、硅灰中兩種或三種組成的膠凝材料體系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述納米SiO2的平均粒徑為15nm 25nm，表面多孔型，純度99%以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述CaCO3的平均粒徑為20nm 40nm，純度98%以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述外加劑為減水率大于40%的聚羧酸系外加劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述河沙的最大粒徑為5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述鍍銅鋼纖維為直徑d < 0.17mm、長(zhǎng)度I ( 13mm的平直型鍍銅鋼纖維或異型鍍銅鋼纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)按配方比例稱(chēng)取水泥、工業(yè)廢渣、納米CaCO3、河砂和鍍銅鋼纖維，攪拌至混合均勻形成干料； (2)按配方比例稱(chēng)取外加劑和水，倒入容器中混合均勻形成混合溶液； (3)按配方比例稱(chēng)取納米SiO2，將納米SiO2倒入混合溶液中，超聲攪拌至均勻形成納米SiO2分散相混合液； (4)將納米SiO2分散相混合液加入干料中并使用攪拌機(jī)攪拌，形成流動(dòng)性漿體； (5)將漿體澆入鋼模，進(jìn)行振動(dòng)成 型并加以振搗； (6)拆模，將試件進(jìn)行標(biāo)注護(hù)養(yǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料包括以下組分水泥19.2%～26.9%；工業(yè)廢渣11.5%～19.2%；納米SiO20.38%～1.92%；納米CaCO30.38%～1.92%；外加劑0.8%～1.2%；河砂38.4%～55.5%；鍍銅鋼纖維3.0%～9.0%；水余量。本發(fā)明提供的生態(tài)型納米超高性能水泥基復(fù)合材料及其制備方法，與同類(lèi)技術(shù)相比具有性價(jià)比高、制備工藝簡(jiǎn)單、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由于納米組分與工業(yè)廢渣的復(fù)合疊加作用，可使得水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能在早期和后期都有提升，有效的改善了水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和耐久性能。
文檔編號(hào)C04B28/22GK103224374SQ201310146489
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者戎志丹, 虞煥新 申請(qǐng)人:東南大學(xué)